MDCT を用いた変形性股関節症の骨梁構造解析長崎大学医学部整形外科千葉恒、岡崎成弘、田口憲士、尾崎誠、進藤裕幸 Department of Radiology and Biomedical Imaging, University of California, San Francisco 千葉恒はじめに変形性股関節症は股関節の形態異常である臼蓋形成不全などにより、股関節内に過剰な力学的負荷が加わることで、軟骨が摩耗し関節痛を生じる疾患と考えられている。軟骨の下面を支える骨である「軟骨下骨」には、骨梁が病的に肥厚した状態である「骨硬化」や、骨梁が消失し空洞を形成する「骨嚢胞」といった骨梁構造の変化が生じている。近年、変形性関節症における軟骨下骨の役割が注目されている。1 つは発症の病態における役割である。いくつかの動物実験において、軟骨摩耗が力学的負荷だけでは生じないことがわかっており、軟骨摩耗は力学的負荷に起因して生成される化学的物質（タンパク分解酵素や炎症性サイトカイン）によって生じるとされている。 (1) 動物実験レベルでは、これらの物質をブロックすることで、力学負荷がある状態であっても、変形性関節症の発症は抑制されている。(2) それらの物質の発生源となる組織として、軟骨、滑膜、そして軟骨下骨が挙げられており、それらをターゲットとした新しい薬物療法が模索されている。(3) 周知のように、軟骨には細胞成分が乏しく、変形性関節症において活性化している軟骨下骨の骨芽細胞や滑膜細胞などの役割が注目されている。2 つめには、痛みの病態における役割である。これも周知のように、軟骨組織には神経線維は存在せず、変形性関節症における痛みの原因は、骨や滑膜などの関与が大きいと考えられている。上記の理由で、私たちは、軟骨を中心に進んでいる変形性関節症の研究において、軟骨下骨に注目するようになった。以下に、本助成金のサポートにより行われた私たちの二つの研究について述べる。【研究 1】MDCT で軟骨下骨の骨梁構造においては、CT が最も優れている。軟骨が解析できるか？下骨の海綿骨は直径数 100 ミクロンの骨梁から構成されており、その構造の解析は、従来は摘出標本に対する組織学的な目的臨床における画像機器には、単純 X 線手法や、実験用の高解像度 CT であるマや CT、MRI が普及しているが、骨の解析イクロ CT を用いなければ解析できなか 1 った。しかし、近年の臨床用 CT の進歩 Factor：骨梁表面の凸凹、蜂巣状形態をに伴い、私たちは患者の軟骨下骨の骨梁評価）、オイラー数（骨梁の連結性）、異構造を in vivo で解析する可能性を検討方性（骨梁の方向性）である。関節裂隙しはじめた。体積とこれらの軟骨下骨梁構造との相 Multi-Detector CT（MDCT）は、多列の関関係を解析した。検出器を持つ臨床用 CT のことで、短時結果間で薄いスライス幅の撮像が可能とな図 1 に示すように、高解像度条件で CT った結果、より高い解像度の画像を得る撮影し、適切な処理を行うことで、軟骨ことができるようになった。私たちは、MDCT を用いて、変形性股関下骨の骨梁の状態が描出できた。また、節症患者の軟骨下骨の骨梁構造解析の図 3 に示すように、関節裂隙の減少に伴試みを行った。い、軟骨下骨の骨梁の肥厚が確認された。表 1 に示すように、関節裂隙体積が減少方法するほどに、骨梁体積と骨梁幅は増加し、対象は、変形性関節症 20 関節（末期 11、骨梁数と骨梁間距離は減少し、骨梁は板初期 9 関節）、臼蓋形成不全 7 関節、健状、蜂巣状化し、異方性は低下した。そ常 20 関節、全例女性である。 の変化は、臼蓋形成不全のみでは出現せ CT は 16 列 MDCT（Aquilion16、TOSHIBA）ず、初期 OA から徐々に出現し、末期 OA を用い、120kV、300mAs、スライス厚 0.5mm で著明となった。で撮像し、FOV 7cm（Matrix 512×512）、考察スライス間隔 0.2mm で再構成した。ピクセルサイズは 0.14×0.14×0.2 mm、空間これらの結果は、組織学的またはマイ分解能は 0.28×0.28×0.5mm である（図クロ CT を用いた解析結果と類似してお 1）。り、正確性は完全ではないが、臨床用 CT 骨梁構造計測には、骨形態計測ソフトを用いても変形性関節症による骨梁構ウェア TRI/3D-BON（ラトックシステムエ造変化の一定の解析が可能と考えられンジニアリング、東京）を使用した。計た。各パラメーターの変化の解釈は：骨測領域は、臼蓋および骨頭の荷重部（主梁が肥厚すると、骨梁の体積率は大きく圧縮骨梁部）における面積が 2×2cm、深なり、骨梁間の隙間は狭くなる。荷重方さが軟骨下骨終板の直下 1cm の領域であ向に対して垂直の方向にも余分に骨梁り、加えて、関節裂隙の体積を計測したが形成されると、骨梁の異方性は小さく（図 2）。骨梁構造パラメーターは、骨梁なる。骨梁同士が癒合すると骨梁は板体積率（BV/TV）（％）、骨梁幅（Tb.Th）状・蜂巣状化し、骨梁数は減少する。と（um）、骨梁数（Tb.N）（/mm）、骨梁間距解釈でき、以上が三次元骨梁構造解析の視点で捉えた「骨硬化」の病態である。離（Tb.Sp）（um）、SMI（Structure Model Index：骨梁が棒状か板状であるかを評解像度の限界により、骨梁の完全に正価）、 TBPf （ Trabecular Bone Pattern 確な描出は不可能であるが、CT の進歩は 2 現在も止まることなく、解像度は向上す布も三次元的に知ることができる。石灰る一方で被曝量は低下しており、in vivo 化度は、コラーゲンに沈着するミネラル骨梁構造解析の正確性は、今後徐々に向の密度のことであり、骨の代謝回転や材上すると思われる。今後、MDCT を用いた質特性の指標になるとされている。石灰骨梁構造解析により骨関節疾患の更な化度が高い骨は、成熟した古い骨で代謝る病態解明や、患者の病状把握、予後予回転は低く、石灰化度が低い骨は、代謝測、治療の適応判断や効果判定などへ応回転が高い骨であることを示すと解釈用が可能と考えられる。されている。(5) つまり、放射光 CT は、本研究は変形性股関節症の軟骨下骨の骨梁の構造と代謝回転の状態をミクロ骨梁構造を in vivo 解析した初めての報レベルで三次元的に解析できる唯一の告であり、そのパイロットスタディーは手法と言うことができる。日本股関節学会にて発表され、学会誌でそこで私達は、放射光 CT を用いて変形ある Hip Joint に掲載された。その後、性関節症患者より摘出した軟骨下骨の症例を加え、新たな解析を追加した本研骨梁構造と石灰化度を解析し、軟骨下骨究は、変形性関節症の国際的な雑誌であの骨代謝回転と骨梁構造の関係を調査る Osteoarthritis and Cartilage に掲した。載された。 (4) 方法結論対象は変形性関節症患者 10 例（66-81 歳、平均 72±5 歳、全例女性、末期）。 MDCT により軟骨下骨の骨梁構造の一定手術の際に採取された大腿骨頭の荷重の評価は可能であった。部から軟骨下骨標本を 10 個摘出した（図【研究 2】病態に最も影響を与えてい 4）。る骨梁構造変化は何か？大型放射光施設 SPring-8（兵庫県、日本）ビームライン BL20B2 にて放射光 CT 目的の撮影を行った。放射光のエネルギーは前述したように、変形性関節症の進行 30keV で、CCD カメラは 4000×2624 を使には、軟骨下骨における「骨代謝の亢進」用した。ピクセルサイズは 5.9um である。が影響を与えていると考えられている。骨形態計測ソフトウェア TRI/3D-BON そこで私たちは、軟骨下骨の骨代謝の状（ラトックシステムエンジニアリング、態と骨梁構造になんらかの関係はない東京）を用いて、骨嚢胞の体積、骨梁のかと考えた。微細構造と石灰化度を解析した。骨嚢胞 Synchrotron radiation micro-CT（SRCT、は 1mm 径以上のものだけ自動抽出しその放射光 CT）は、放射光という特殊な性質体積を計測し、骨嚢胞が全領域に占めるをもつ X 線を用いたマイクロ CT のこと体積の割合を骨嚢胞体積率とした。骨梁であり、その高い定量性により、骨梁のの計測領域は、全領域と、さらにそれを構造解析に加え、骨梁内の石灰化度の分シスト周囲骨梁と内部骨梁に分けて、計 3 3 領域を計測した（図 4）。シスト周囲骨った（p=0.008）。梁は、骨嚢胞表面から 0.5mm 周囲の骨梁つまり、末期変形性股関節症の大腿骨である。頭荷重部の軟骨下骨では、骨嚢胞が全体骨梁構造パラメーターは、骨梁体積率積の約 30%を占めており、骨嚢胞の体積（骨梁体積/全体積：BV/TV）（％）、骨梁率が大きいほど軟骨下骨の石灰化度が表面積（骨梁表面積/骨梁体積：BS/BV）低く、特に骨嚢胞の周囲の骨梁において（/mm）、骨梁幅（Tb.Th）（um）、骨梁数その石灰化度が低かった。（Tb.N）（/mm）、骨梁間距離（Tb.Sp）（um）、考察 ConnD（骨梁の連結性）、SMI（Structure Model Index：骨梁が棒状か板状である変形性股関節症の軟骨下骨には、単純 X かを評価）、 TBPf （ Trabecular Bone 線で把握できないような小嚢胞も含め Pattern Factor：骨梁表面の凸凹、蜂巣ると、多くの骨嚢胞によって占められて状形態を評価）、異方性（骨梁の方向性）おり、それらの形成が軟骨下骨の骨代謝回転の亢進に深く関与しているものとである。思われた。骨嚢胞周囲の骨梁には、破骨さらに、骨量ファントムから検量線を作成し、CT 値（HU）を石灰化度（mg/cm3）細胞や活性化した骨芽細胞、類骨や新生に変換し、各領域の骨梁の石灰化度を計骨の存在が報告されており、今回見られた石灰化度の低下は、代謝回転の亢進の測した。結果の、脱灰過程にある骨や、石灰化の石灰化度と骨嚢胞体積、骨梁構造の関係をスピアマン相関検定で解析した。過程にある新生骨を反映していると思シスト周囲骨梁と内部骨梁の差はわれる。本研究の限界としては、本研究の対象 Mann-Whitney 検定で解析した。の病期がすべて末期であり、初期の病態結果を知ることはできないことが挙げられ全領域に占める骨嚢胞の体積率は平均る。今後、臨床用 MDCT を用いて、軟骨 31.8 %（0～58.5 %）だった。全骨梁領下骨嚢胞を定量的に評価することが、OA 域における BV/TV は平均 55.6 %（44.3 の病態や治療を考える上で重要な評価～66.0 %）で、骨梁幅は 235.9 um（197.5 となる可能性がある。～253.6 um）だった。骨梁の石灰化度は本研究は変形性関節症の軟骨下骨の石平均 1004.4 mg/cm3 （ 945.7 ～ 1076.8 灰化度と骨微細構造の関係を明確にし mg/cm3）だった。た初めての報告であり、そのパイロット表 2 に示すように、骨梁の石灰化度とスタディーは日本股関節学会にて発表有意な相関関係を有する構造因子は骨され、さらに解析を追加して完成させた嚢胞体積であり、骨嚢胞が大きいほど石論文は、骨分野の世界的な雑誌である灰化度が小さかった（r=-0.81, p=0.004）。 Journal of Bone and Mineral Research 表 3、図 5 に示すように、シスト周囲骨に掲載され、論文中の画像は、本雑誌のカバーを飾った。(6) 梁は内部骨梁と比較し石灰化度が低か 4 n. Nature Reviews Rheumatology, 結論 7(1), 13–22. 変形性関節症の軟骨下骨における骨代 4. 謝回転の亢進には、骨嚢胞が大きく関与 Chiba, K., Ito, M., Osaki, M., Uetani, M., & Shindo, H. (2011). している。 In vivo structural analysis of 謝辞 subchondral trabecular bone in 本研究に必要としたコンピューターや osteoarthritis of the hip usin ソフトウェア等の費用のサポートをい g multi-detector row CT. Osteoa ただいた、日本股関節財団、および帝人 rthritis and cartilage / OARS, ファーマに心から御礼申し上げます。 Osteoarthritis Research Society, 19(2), 180–185. 参考文献 1. 2. 5. Lories, R. J., & Luyten, F. P. P., Baruchel, J., & Boivin, G. (2011). The bone–cartilage unit (2002). Quantification of the in osteoarthritis. Nature Revi degree of mineralization of bon ews Rheumatology, 7(1), 43–49. e in three dimensions using syn Hayami, T., Pickarski, M., Weso chrotron radiation microtomogra lowski, G. A., Mclane, J., Bone, phy. Medical physics, 29(11), 2 A., Destefano, J., Rodan, G. 672–2681. A., et al. (2004). The role of 3. Nuzzo, S., Peyrin, F., Cloetens, 6. Chiba, K., Nango, N., Kubota, subchondral bone remodeling in S., Okazaki, N., Taguchi, K., O osteoarthritis: Reduction of ca saki, M., & Ito, M. (2012). Rel rtilage degeneration and preven ationship between microstructur tion of osteophyte formation by e and degree of mineralization alendronate in the rat anterio in subchondral bone of osteoart r cruciate ligament transection hritis: A synchrotron radiation model. Arthritis & Rheumatism, µCT study. Journal of Bone and 50(4), 1193–1206. Mineral Research, 27(7), 1511– Hunter, D. J. (2011). Pharmacol 1517. ogic therapy for osteoarthritis ―the era of disease modificatio 5 図表図 1 高解像度条件で CT 撮影し、適切撮影し、適切な処理を行うことでを行うことで、軟骨下骨の骨梁のな処理を行うことで、軟骨下骨の骨梁の図 2 計測領域。臼蓋および骨頭の荷重部（主圧縮骨梁部）における面積が重部（主圧縮骨梁部）における面積が状態が描出できる状態が描出できる。できる 2×2cm、深さが軟骨下骨終板の直下 2cm、深さが軟骨下骨終板の直下 1cm の領域における骨梁構造、および、関節裂隙の体積を計測した。図 3 A は健常例、B は末期変形性股関節症例の大腿骨頭側の軟骨下骨。は末期変形性股関節症例の大腿骨頭側の軟骨下骨。 B で骨梁の肥厚、癒合像が見られる。 6 表 1 関節裂隙体積と軟骨下骨梁構造の相関関係図 4 大腿骨頭の荷重部から軟骨下骨標本を 10 個摘出し、骨嚢胞の体積、骨梁の微細構造と石灰化度を計測した。骨梁領域は、骨嚢胞表面から 0.5mm を境界に 2 つの領域に分けて計測した。 7 表 3 骨梁の微細構造と石灰化度の、シスト周囲（シスト周囲（Cys ト周囲（CysCys-Tb）および内部（ Tb）および内部（Cen ）および内部（CenCen-Tb）骨梁領域における比較。 Tb）骨梁領域における比較。図 5 骨嚢胞の周囲で骨梁の石灰化度は低下しており、骨代謝回転の亢進が示唆された。また、骨梁構造は多孔性となっており、骨吸収による貫通孔の形成が考えられた。形成が考えられた。カラースケールは赤ほど石灰化度が低いことを示す。カラースケールは赤ほど石灰化度が低いことを示す。 8